基于定量对比方法的磁共振射频线圈的MatLAB图形化性能研究

朱高杰，李 斌，魏小二

1 上海交通大学医学院 上海市第六人民医院 医学工程部，上海，200233

2 上海交通大学附属第六人民医院 放射科，上海，200233

基于定量对比方法的磁共振射频线圈的MatLAB图形化性能研究

【作 者】朱高杰1，李 斌1，魏小二2

1 上海交通大学医学院 上海市第六人民医院 医学工程部，上海，200233

2 上海交通大学附属第六人民医院 放射科，上海，200233

目的 为了验证磁共振成像中不同类型射频线圈的临床性能，我们以表面线圈、收发兼用型鸟笼线圈和八通道相控阵线圈为研究对象，分别测量了这三种线圈在Philips 3.0T磁共振成像系统中的信噪比和图像均匀度。材料和方法 在AAPM(美国医学物理师学会)推荐的方案测量信噪比和均匀度的基础上，增加对最终图像的MatLAB图形化分析，分别得到其两个互相垂直方向和整个平面上的信噪比空间分布。结果 在体模中心的感兴趣区（ROI）中，收发兼用型鸟笼线圈和八通道相控阵线圈的信噪比分别是表面线圈信噪比的7倍和12倍以上，均匀度也都高于表面线圈的均匀度。结论：收发兼用型鸟笼线圈和相控阵线圈在成像效果上均优于表面线圈；相控阵线圈能获得最好的信噪比，而收发兼用型鸟笼线圈则具有最好的均匀度。

MatlAB图形化；收发兼用线圈；相控阵线圈；表面线圈；均匀度；信噪比

在磁共振性能评价领域，自从AAPM(美国医学物理师学会)于1990年提出推荐方案以来[1]，大量的临床和理论研究开始关注这一领域[2-5]。AAPM方法提供了对磁共振整体性能的基本评价方法，但其测试不针对磁共振的各个组件，同时其测试结果只能用于反映整体效果而无法得到细节的性能。为了克服以上不足，本文在已有研究[6]的基础上，提出采用基于定量对比的方法，分析比较表面线圈、相控阵线圈和收发兼用型鸟笼线圈的性能，提高了对具体细节的评价能力，同时将结果图形化。

1 材料和方法

1.1 材料

磁共振成像设备为3.0T Intera Achiva。采用Philips标配的圆柱形的体模，容积3000 ml。三个线圈分别为：8通道相控阵颈动脉表面线圈，Philips收发兼用型（T/R）鸟笼线圈和Philips 多用途表面线圈。扫描序列采用T1权重的自旋回波T1W-SE（TR=450 ms，TE= 11 ms，FOV=15 cm，层厚=4 mm,层间距=1 mm，层数20.成像矩阵=256×256，采集次数NSA=2）和T2权重的快速自选回波T2W-TSE（TR=4500 ms，TE=90 ms，回波链数16，FOV=15 cm，层厚4 mm，层间距=1 mm，成像矩阵512×512），成像层面为横轴面。

1.2 方法

1.2.1 信噪比的测量

信噪比测量常用的有两种方法[1]、[7]，而且两种方法所测得的结果存在一种直接的线性关系[8]。信噪比测量时，感兴趣区（ROI）和背景噪声区域的选择如下图1

图1 信噪比测量时感兴趣区域和背景噪声区域的选择ROI位于体模中心，半径为体模半径的90%左右；四个背景噪声区域位于视野（FOV）的四个角上，半径为体模半径的10%左右Fig.1 The choice of ROI and region of noise ROI located in the center of the phantom and four regions of noise located in the four corners of the image. Radial of ROI are 90 percent of the radial of phantom, while region of notes 10 percent

考虑到操作中的简便性，本文采用单幅图像的测试方法，即信噪比（SNR）按照下式计算：

其中，S为感兴趣区的平均信号强度，在图1中S即为感兴趣区域的平均像素值；SD为噪声信号强度，在图1中SD即为各小圆形区域A～D的像素值标准差。本文测量的信噪比包括感兴趣区域内的信噪比以及感兴趣区域前后方向（A-P）和左右方向（L-R）上的信噪比曲线。同时，将感兴趣区域内的像素值利用MatLAB软件投影至三维，得到均匀度的三维图形。

1.2.2 图像均匀度的测量

均匀度的测量和计算方法采用AAPM(美国医学物理师学会)推荐的方案[1]。在与信噪比测量相同的图像中，设置5个大小相同的圆形（半径为体模的30%，均匀分布），分别测量其平均信号强度。计算公式为：

其中，U∑表示均匀度；Smax为所测5个圆形区域中信号的最大值；Smin为所测5个圆形区域中信号的最小值。

2 结果

2.1 信噪比定量计算及图形化

磁共振扫描得到的6幅图像（每种线圈两幅图像），根据上文所述的方法，实验测量所得到的数据如表1和表2中所示。

表1 三种线圈在T1W-SE序列作用下所得图像的信噪比相关参数Tab.1 Parameters for SNR of three types of coil with 0.64 T1W-TSE

表2 三种线圈在T2W-TSE序列作用下所得图像的信噪比相关参数Tab.2 Parameters for SNR of three types of coil with T2W-TSE

根据上面两个表中的数据可以发现，在采用T1WSE序列时，相控阵线圈和T/R鸟笼线圈的信噪比分别是表面线圈的12.97倍和7.93倍；在采用T2W-TSE时，相控阵线圈和T/R鸟笼线圈的信噪比分别是表面线圈的14.65倍和8.87倍。

根据实验数据，两个序列所得图像在横向和纵向的信噪比曲线如图2所示。

图2 三类线圈在两个垂直方向上的信噪比曲线（a）T1W-SE序列作用下的左右方向（R-L）信噪比曲线；（b）T1WSE序列作用下的前后方向（A-P）信噪比曲线；（c）T2W-TSE序列作用下的左右方向（R-L）信噪比曲线；（d）T2W-TSE序列作用下的前后方向（A-P）信噪比曲线。红线为表面线圈，绿线相控阵线圈，蓝线为T/R鸟笼型线圈Fig.2 SNR profiles in two vertical directions of three types coils. (a)SNR profile in R-L direction with T1W-SE ;( b) SNR profile in A-P direction with T1W-SE ;( c) SNR profile in R-L direction with T2W-TSE; (d) SNR profile in A-P direction with T2W-TSE. The red, green and blue lines denote surface coils, phased array coils and T/R birdcage coils, respectively

从图2可知，在这两个序列成像中，在左右方向（R-L）上，相控阵线圈和T/R鸟笼线圈相对于表面线圈都具有明显的优势，而相控阵线圈的信噪比整体而言高于T/R鸟笼线圈，但前者在图像中心处的信噪比明显下降，甚至会低于后者；在前后方向（A-P）上，相控阵线圈和T/R鸟笼线圈相对于表面线圈都具有明显的优势，而T/R鸟笼线圈也明显高于相控阵线圈，只有在图像中心区域两者才更为接近。

2.2 图像均匀度定量计算

根据上文所述的测量方法，利用公式（2）测量所得图像的结果分别为：表面线圈T1W和T2W权重图像的均匀度分别为Ua=39.49%和UD=38.76%；相控阵线圈T1W和T2W权重图像的均匀度分别为Uc=45.40%和Ud=41.48%；T/R鸟笼线圈T1W和T2W权重图像的均匀度分别为Ue=98.98%和Uf=99.25%。可以看出，T/R鸟笼线圈的图像均匀度明显高于表面线圈和相控阵线圈，而相控阵线圈的均匀度比表面线圈的均匀度略高。

2.3 MatLAB图形化

将上述6幅图像的像素值投影至三维坐标，且用伪彩色来标记，如下图3所示。

图3 6幅体模图像的三维投影（a）表面线圈在T1W-SE序列下的体模图像投影；(b)表面线圈在T2W-TSE序列下的体模图像投影；(c)相控阵线圈在T1W-SE序列下的体模图像投影；(d)相控阵线圈在T2W-TSE序列下的体模图像投影；（e）T/R鸟笼线圈在T1W-SE序列下的体模图像投影；(f)T/R鸟笼线圈在T2W-TSE序列下的体模图像投影。Fig.3 Projection of the images of phantom. (a) Projection of the image with surface coil and T1W-SE; (b) Projection of the image with surface coil and T2W-TSE; (c) Projection of the image with phased array coil and T1W-SE; (d) Projection of the image with phased array and T2W-TSE; (e) Projection of the image with T/R birdcage coil and T1W-SE; (f) Projection of the image with T/R birdcage coil and T2W-TSE.

3 讨论

磁共振成像临床应用中，常常需要在众多不同的射频线圈之间做出取舍，以获得更好的成像效果，而医学物理学界尚没有提出针对射频线圈的评价方案。AAPM(美国医学物理师学会)于1990年提出的磁共振质量控制方案，以磁共振整机性能为主要目标，因此需要进一步采用各个射频线圈的评价。

本文进一步计算出了成像层面内两垂直方向上的信噪比曲线，对成像效果的描述更为细微，能够准确地了解各种线圈在性能上差别的具体大小。同时，还得到了成像层面内像素值在三维的投影，能够直观地看出不同线圈的性能差异。

4 结论

我们的实验结果表明，在磁共振成像中，T/R鸟笼线圈和相控阵线圈相对于表面线圈而言，无论在信噪比还是在均匀度上面都有较大优势，而T/R鸟笼线圈和相控阵线圈则在信噪比和均匀度上各有特色。近年来，有学者提出将T/R技术应用于相控阵线圈[9]，这样就既能利用相控阵技术融合并行成像而加快成像速度，同时还能够利用T/R技术得到高质量的图像。融合相控阵线圈的快速成像技术和T/R线圈的高质量成像技术的新型线圈会在不久的将来问世，进一步提高临床诊断的精度和速度。

[1] Price RR, Axel L, Morgan T, et al. Quality assurance methods and phantoms for magnetic resonance imaging: report of AAPM nuclear magnetic resonance task group no 1 [J]. Med Phys, 1990, 17:287-95.

[2] Firbank MJ, Harrison RM, Williams ED, et al. Quality assurance for MRI: Practical experience [J]. Br J Radiol, 2000, 73:376-383.

[3] Chen CC, Wan YL, Wai YY, et al. Quality assurance of clinical MRI scanners using ACR MRI phantom: preliminary results [J]. J Digit Imaging, 2004, 17:279-284.

[4] Colombo P, Baldassarri A, Del Corona M, et al. Multicenter trial for the set-up of a MRI quality assurance programme [J]. Magn Reson Imaging, 2004, 22:93-101.

[5] Friedman L, Glover GH. Report on a multicenter fMRI quality assurance protocol [J]. J Magn Reson Imaging, 2006, 23:827-839. [6] Bin Li, Wang Jie. The Development and evaluation of new neck coil for GE MR system [A]. Conl Pro IEEE Eng Med Biol Soc [C]. Shanghai: IEEE—EMBS, 2005.6033-6036.

[7] Kaufman L, Kramer DM, Crooks LE, et al. Measuring signal-tonoise ratios in MR imaging [J]. Radiology, 1989, 173:265-267.

[8] Firbank MJ, Coulthard A, Harrison RM, et al. A comparison of two methods for measuring the signal to noise ratio on MR images [J]. Phys Med Biol, 1999, 44(12): N261-264.

[9] Robert G. Pinkerton, Graeme C. McKinnon, Ravi S. Menon. SENSE optimization of a transceive surface coil array for MRI at 4T [J]. Magnetic Resonance in Medicine, (2006), 56:630-636.

A New Approach to Research Graphical Performance of MRI RF Coil Based on the Quantitative Comparison Method

【Writers】Zhu Gaojie1, Li Bin1＊, Wei Xiaoer2

1 The sixth people’s hospital aff i liated to Shanghai Jiaotong University, BME Department, Shanghai, 200233
2 The sixth people’s hospital aff i liated to Shanghai Jiaotong University, Radiology Department, Shanghai, 200233

Objective To compare the performance of three different types of RF coil in 3.0T MRI, the signal-to-noise ratio (SNR) and image uniformity in 3.0 Tesla magnetic resonance imaging system have been studied. Materials and Methods In addition to the measurement of SNR and Uniformity based on the protocol recommend by AAPM, the images had also been analyzed using SPSS and MATLAB to get the SNR distribution along two vertical direction and the whole imaging plane. Results The SNR with T/R birdcage coil and 8-ch surface coil is seven and twelve times higher than surface coil in the region of interest (ROI), which was set in the center of the phantom images. With regard to the spatial variation of sensitivity, the uniformity of T/R birdcage coil and 8-ch surface coil are also much higher than that of surface coil. Conclusion The images from T/R birdcage and phased array coils are all better than those of surface coil. The SNR of the images from phased array coil is highest while the uniformity of the images from T/R birdcage coil is highest.

Matlab Graphical, T/R coil, Phased array coil, Surface coil, Uniformity, SNR

R445.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2010.03.007

1671-7104(2010)03-0180-03

2010-03-23

李斌，教授，libincc@online.sh.cn